CN112177801B - 一种基于第三流体的过氧化氢/煤油火箭发动机推力室 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于第三流体的过氧化氢/煤油火箭发动机推力室，包括：推进剂输送装置，与推进剂供给系统相连接，用于向燃烧室内输送煤油和过氧化氢。过氧化氢催化点火器，轴向安装于燃烧室的前端，用于向燃烧室内输送高温氧气和水蒸气，与输送至燃烧室的煤油自点火燃烧，且在实现点火后，煤油和喷入燃烧室内的过氧化氢持续燃烧，过氧化氢催化点火器停止工作；需再次点火时，再次启动过氧化氢催化点火器，并在点火后关闭。使用该基于第三流体的过氧化氢/煤油火箭发动机推力室解决大推力常温推进剂过氧化氢/煤油火箭发动机多次重复点火启动的问题；还实现了通过催化小流量的过氧化氢来实现火箭发动机整体点火的目的，从而提高推重比。

Description

一种基于第三流体的过氧化氢/煤油火箭发动机推力室
【技术领域】
本发明属于液体火箭发动机技术领域，具体涉及一种基于第三流体的过氧化氢/煤油火箭发动机推力室。
【背景技术】
液体火箭发动机是目前运载火箭动力的重要基础，在航天发射和深空探测等方面具有及其重要的意义。为了进一步降低发射成本以及增加发射频率，航天发射对火箭发动机的重复使用和便利性提出了新的要求。过氧化氢和煤油作为一对常温无毒的推进剂组合，具有高密度比冲和易存储的特征，能够带来储存和加注方面的便捷，大幅度地减少发射准备时间；过氧化氢可以作为再生冷却介质对燃烧室和喷管进行再生冷却，且过氧化氢催化产生的高温氧气与煤油相遇之后能够发生自点火，因此发动机启动方便且可靠性高。
如果将大推力过氧化氢/煤油火箭发动机中的过氧化氢全部催化的话，那么所需过氧化氢催化床的重量就会特别大，导致难以提高火箭发动机的推重比。目前没有通过催化小流量的过氧化氢来实现火箭发动机整体点火的动力装置。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种基于第三流体的过氧化氢/煤油火箭发动机推力室，解决大推力常温推进剂过氧化氢/煤油火箭发动机多次重复点火启动的问题；还实现了通过催化小流量的过氧化氢来实现火箭发动机整体点火的目的，从而能够显著提高推重比。
本发明采用以下技术方案：一种基于第三流体的过氧化氢/煤油火箭发动机推力室，包括：推进剂输送装置，与推进剂供给系统相连接，用于向燃烧室内输送煤油和过氧化氢。过氧化氢催化点火器，轴向安装于燃烧室的前端，用于向燃烧室内输送高温氧气和水蒸气，与输送至燃烧室的煤油自点火燃烧，且在实现点火后，煤油和喷入燃烧室内的过氧化氢持续燃烧，过氧化氢催化点火器停止工作；当需再次点火时，再次启动过氧化氢催化点火器，并在点火后关闭。
进一步地，该过氧化氢催化点火器包括：柱状腔体，其前端开设有催化点火过氧化氢入口管接嘴，后端同轴连接且相联通有一导焰管，导焰管的末端与燃烧室相连通。在柱状腔体内前后间隔设置有液流均流板和分解气整流栅，液流均流板和分解气整流栅间用于装填催化床，催化床用于将少量的过氧化氢催化分解为高温氧气和水蒸气，通过导焰管导流进入燃烧室，与进入燃烧室的煤油自点火燃烧。
进一步地，该推进剂输送装置包括推进剂储存腔和多个过氧化氢/煤油同轴双组元离心式喷嘴。推进剂储存腔为前后两个相连接、且相独立的筒状的煤油腔和过氧化氢腔，且套设在过氧化氢催化点火器上；过氧化氢腔的后端与燃烧室的前端相连接。
上述过氧化氢/煤油同轴双组元离心式喷嘴，为多个，均轴向贯通于推进剂储存腔，用于将过氧化氢和煤油喷注入燃烧室内；其中一个设置于推进剂储存腔的中心，其他环绕于推进剂储存腔一周间隔设置。
进一步地，过氧化氢/煤油同轴双组元离心式喷嘴包括：过氧化氢旋流室，为一锥状壳体围成，在锥状壳体的中心贯通开设有一两端敞口的空腔；过氧化氢旋流室位于过氧化氢腔段，在过氧化氢旋流室的壳体的大头端的外侧壁上间隔开设有至少两个过氧化氢切向孔，各过氧化氢切向孔均与过氧化氢腔相连通；在过氧化氢旋流室的壳体的小头端的端部、且贴于空腔一周环向一周开设有一环形过氧化氢喷注孔。
煤油旋流室，由一柱状壳体围成，在壳体前端的侧壁上间隔开设有多个煤油切向孔，在柱状壳体的后端连通有一柱状的煤油出口管，用于将煤油喷注入燃烧室内；煤油出口管同轴套设在过氧化氢旋流室的空腔中。
进一步地，液流均流板和分解气整流栅均为一圆形板体，其上均布开设有多个通孔，多个通孔环向间隔排布，径向间隔排布，形成多个同心圆结构；且分解气整流栅上的通孔大于液流均流板上的通孔。
进一步地，在。燃烧室的后端连接有喷管，喷管为喇叭状；燃烧室和喷管为双层壳体结构，在壳体间布设有过氧化氢再生冷却通道，在喷管的喇叭口壳体一周设置有环向的过氧化氢集液腔，与再生冷却通道的入口相连通；在过氧化氢集液腔的壳体上开设有过氧化氢入口，用于与外界管路连通。燃烧室内的过氧化氢再生冷却通道的开口端与过氧化氢腔相连通。
本发明还公开了上述的一种基于第三流体的过氧化氢/煤油火箭发动机推力室的工作方法，该工作方法如下：
A.发动机启动过程：
首先，过氧化氢/煤油同轴双组元离心式喷嘴启动，具体为：过氧化氢经再生冷却通道泵入过氧化氢腔内；然后由各过氧化氢切向孔流入过氧化氢旋流室，并由过氧化氢喷注孔喷入燃烧室内；同时，煤油由煤油入口泵入煤油腔内，由各煤油切向孔注入煤油旋流室，并由煤油喷注孔喷入燃烧室内。
然后，过氧化氢催化点火器启动，具体为：由过氧化氢入口管接嘴输送过氧化氢至柱状腔体内，由液流均流板上的通孔喷出，喷入催化床，过氧化氢分解为高温氧气和水蒸气，高温氧气和水蒸气流经分解气整流栅上的通孔，流经导焰管，由其末端喷入燃烧室内，与燃烧室内的煤油混合自点火燃烧；然后燃烧室内的煤油和过氧化氢混合燃烧。
点火后，过氧化氢催化点火器停止工作；煤油和过氧化氢在燃烧室内持续燃烧。
B.发动机停止工作过程：
减少过氧化氢进入燃烧室内，同时停止煤油进入燃烧室内，燃烧室内逐渐熄火，且室压降低至环境压强，关闭过氧化氢的进入量，发动机停止工作。
C.发动机再次工作：重复A，再次完成发动机的启动。
本发明的有益效果是：1.通过催化小流量的过氧化氢可以实现火箭发动机的自点火，点火完成后无需再催化，因此不需要庞大的催化床去催化所有过氧化氢，从而显著提高发动机的推重比。2.煤油和过氧化氢通过切向孔旋入旋流室，然后从喷嘴离心喷出，有利于推进剂的预先混合。3.可以通过控制催化过氧化氢和整体发动机推进剂的通断来实现发动机多次重复点火启动的目的。
【附图说明】
图1为一种基于第三流体的过氧化氢/煤油火箭发动机推力室的结构示意图；
图2为过氧化氢催化点火器的结构示意图；
图3为同轴双组元离心式喷嘴的结构示意图。
其中：1.过氧化氢催化点火器；2.煤油入口；3.过氧化氢/煤油同轴双组元离心式喷嘴；4.煤油腔；5.过氧化氢腔；6.燃烧室；7.过氧化氢再生冷却通道；8.喷管；9.过氧化氢入口；10.过氧化氢集液腔；
1-1.催化点火过氧化氢入口管接嘴；1-2.液流均流板；1-3.催化床；1-4.分解气整流栅；1-5.导焰管；
3-1.煤油旋流室；3-2.煤油切向孔；3-3.过氧化氢旋流室；3-4.过氧化氢切向孔；3-5.煤油出口；3-6.过氧化氢出口。
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种基于第三流体的过氧化氢/煤油火箭发动机推力室，如图1所示，包括：推进剂输送装置，与推进剂供给系统相连接，用于向燃烧室6内输送煤油和过氧化氢。过氧化氢催化点火器1，轴向安装于燃烧室6的前端，其喷射端位于燃烧室6内，用于向燃烧室6内输送高温氧气和水蒸气，与输送至燃烧室的煤油自点火燃烧，且在实现点火后，煤油和喷入燃烧室6内的过氧化氢持续燃烧，过氧化氢催化点火器1停止工作；当需再次点火时，再次启动过氧化氢催化点火器1，并在点火后关闭。
上述过氧化氢催化点火器1的结构如图2所示，包括：柱状腔体a，其前端开设有催化点火过氧化氢入口管接嘴1-1，后端同轴连接且相联通有一导焰管1-5，导焰管1-5的末端与燃烧室6相连通。
在柱状腔体a内前后间隔设置有液流均流板1-2和分解气整流栅1-4，液流均流板1-2和分解气整流栅1-4间用于装填催化床1-3，催化床1-3一般由若干张银网组成，用于将少量的过氧化氢催化分解为高温氧气和水蒸气，通过导焰管1-5导流进入燃烧室6，与进入燃烧室6的煤油自点火燃烧。液流均流板1-2和分解气整流栅1-4均为一圆形板体，其上均布开设有多个通孔，多个通孔环向间隔排布，径向间隔排布，形成多个同心圆结构；且分解气整流栅1-4上的通孔大于液流均流板1-2上的通孔。
在液流均流板1-2和整流栅1-4上，由靠近圆心开始向远端，每一圈上的通孔个数取1、6、12、18依次递增。通过液流均流板1-2可以使过氧化氢均匀地流向催化床1-3，经催化床1-3催化后，过氧化氢分解为高温氧气和水蒸气，在1000K左右的温度下，流经分解气整流栅1-4，整流栅1-4的作用主要是对催化床催化分解的高温氧气和水蒸气进行流向梳理，消除二次流及涡流的影响。
上述推进剂输送装置包括推进剂储存腔和多个过氧化氢/煤油同轴双组元离心式喷嘴3；推进剂储存腔为前后两个相连接、且相独立的筒状的煤油腔4和过氧化氢腔5，且套设在过氧化氢催化点火器1上；煤油腔4上开设有煤油入口2。过氧化氢腔5的后端与燃烧室6的前端相连接。过氧化氢/煤油同轴双组元离心式喷嘴3，为多个，均轴向贯通于推进剂储存腔，用于将过氧化氢和煤油喷注入燃烧室6内；其中一个设置于推进剂储存腔的中心，其他环绕于推进剂储存腔一周间隔设置。
如图3所示，上述过氧化氢/煤油同轴双组元离心式喷嘴3包括：过氧化氢旋流室3-3，为一锥状壳体围成，在锥状壳体的中心贯通开设有一两端敞口的空腔；过氧化氢旋流室3-3位于过氧化氢腔5段，在过氧化氢旋流室3-3的壳体的大头端的外侧壁上间隔开设有至少两个过氧化氢切向孔3-4，各过氧化氢切向孔3-4均与过氧化氢腔5相连通；在过氧化氢旋流室3-3的壳体的小头端的端部、且贴于空腔一周环向一周开设有一环形过氧化氢喷注孔。
煤油旋流室3-1，由一柱状壳体围成，在壳体前端的侧壁上间隔开设有多个煤油切向孔3-2，在柱状壳体的后端连通有一柱状的煤油出口管3-5，用于将煤油喷注入燃烧室内。作为煤油的出口，煤油出口管3-5的直径小于煤油旋流室3-1的直径，且煤油旋流室3-1和煤油出口管3-5间形成以一圆台体过渡连接。煤油出口管3-5同轴套设在过氧化氢旋流室3-3的空腔中。过氧化氢和煤油都从离心式喷嘴旋向离心喷出，在燃烧室头部可以做到预先混合均匀，在燃烧室中进行预混燃烧。此过程中过氧化氢可以带走燃烧室6喷管8的大部分热量，不仅可以达到发动机热防护的目的，还可以提高过氧化氢的初始温度，有利于其在燃烧室6中的燃烧。
在燃烧室6的后端连接有喷管8，喷管8为喇叭状；燃烧室6和喷管8为双层壳体结构，在壳体间布设有过氧化氢再生冷却通道7，在喷管8的喇叭口壳体一周设置有环向的过氧化氢集液腔10，与再生冷却通道7的入口相连通；在过氧化氢集液腔10的壳体上开设有过氧化氢入口9，用于与外界管路连通。燃烧室6内的过氧化氢再生冷却通道7的开口端与过氧化氢腔5相连通。
上述的一种基于第三流体的过氧化氢/煤油火箭发动机推力室的工作方法，该工作方法如下：选用的推进剂选用含有90％质量含量的过氧化氢和煤油，通过少量过氧化氢催化后的高温氧气与煤油接触自燃的特性，简化了点火结构。过氧化氢增压后，由涡轮泵泵入到过氧化氢集液腔10，再经过过氧化氢再生冷却通道7进入到过氧化氢腔5中；煤油增压后，由涡轮泵直接泵入到煤油腔4中。
A.发动机启动过程：
首先，过氧化氢/煤油同轴双组元离心式喷嘴3启动，具体为：过氧化氢经再生冷却通道7泵入过氧化氢腔5内；然后由各过氧化氢切向孔3-4流入过氧化氢旋流室3-3，并由过氧化氢喷注孔喷入燃烧室6内；同时，煤油由煤油入口2泵入煤油腔4内，由各煤油切向孔3-2注入煤油旋流室3-1，并由煤油喷注孔喷入燃烧室6内；过氧化氢流量为300g/s。
然后，过氧化氢催化点火器1启动，具体为：由过氧化氢入口管接嘴1-1输送过氧化氢至柱状腔体a内，由液流均流板1-2上的通孔喷出，喷入催化床1-3，过氧化氢分解为高温氧气和水蒸气，高温氧气和水蒸气流经分解气整流栅1-4上的通孔，流经导焰管1-5，由其末端喷入燃烧室6内，与燃烧室6内的煤油混合自点火燃烧；然后燃烧室6内的煤油和过氧化氢混合燃烧。
点火后，过氧化氢催化点火器1停止工作；煤油和过氧化氢在燃烧室6内持续燃烧。
B.发动机停止工作过程：
减少过氧化氢进入燃烧室6内，同时停止煤油进入燃烧室6内，燃烧室6内逐渐熄火，且室压降低至环境压强，关闭过氧化氢的进入量，发动机停止工作。
C.发动机再次工作：重复A，再次完成发动机的启动。
本发明一种基于第三流体的过氧化氢/煤油火箭发动机推力室，通过催化小流量的过氧化氢可以实现火箭发动机的自点火，解决大推力常温推进剂过氧化氢/煤油火箭发动机多次重复点火启动的问题。同时，催化床很小，显著提高推重比。

Claims (7)

1.一种基于第三流体的过氧化氢/煤油火箭发动机推力室，其特征在于，包括：
推进剂输送装置，与推进剂供给系统相连接，用于向燃烧室（6）内输送煤油和过氧化氢；
过氧化氢催化点火器（1），轴向安装于燃烧室（6）的前端，用于向所述燃烧室（6）内输送高温氧气和水蒸气，与输送至所述燃烧室的煤油自点火燃烧，且在实现点火后，煤油和喷入燃烧室（6）内的过氧化氢持续燃烧，所述过氧化氢催化点火器（1）停止工作；当需再次点火时，再次启动所述过氧化氢催化点火器（1），并在点火后关闭。
2.根据权利要求1所述的一种基于第三流体的过氧化氢/煤油火箭发动机推力室，其特征在于，所述过氧化氢催化点火器（1）包括：
柱状腔体（a），其前端开设有催化点火过氧化氢入口管接嘴（1-1），后端同轴连接且相联通有一导焰管（1-5），所述导焰管（1-5）的末端与所述燃烧室（6）相连通；
在所述柱状腔体（a）内前后间隔设置有液流均流板（1-2）和分解气整流栅（1-4），所述液流均流板（1-2）和分解气整流栅（1-4）间用于装填催化床（1-3），所述催化床（1-3）用于将少量的过氧化氢催化分解为高温氧气和水蒸气，通过所述导焰管（1-5）导流进入所述燃烧室（6），与进入所述燃烧室（6）的煤油自点火燃烧。
3.根据权利要求2所述的一种基于第三流体的过氧化氢/煤油火箭发动机推力室，其特征在于，所述推进剂输送装置包括推进剂储存腔和多个过氧化氢/煤油同轴双组元离心式喷嘴（3）；
所述推进剂储存腔为前后两个相连接、且相独立的筒状的煤油腔（4）和过氧化氢腔（5），且套设在所述过氧化氢催化点火器（1）上；所述过氧化氢腔（5）的后端与所述燃烧室（6）的前端相连接；
过氧化氢/煤油同轴双组元离心式喷嘴（3），为多个，均轴向贯通于所述推进剂储存腔，用于将过氧化氢和煤油喷注入所述燃烧室（6）内；其中一个设置于所述推进剂储存腔的中心，其他环绕于所述推进剂储存腔一周间隔设置。
4.根据权利要求3所述的一种基于第三流体的过氧化氢/煤油火箭发动机推力室，其特征在于，过氧化氢/煤油同轴双组元离心式喷嘴（3）包括：
过氧化氢旋流室（3-3），为一锥状壳体围成，在锥状壳体的中心贯通开设有一两端敞口的空腔；所述过氧化氢旋流室（3-3）位于过氧化氢腔（5）段，在所述过氧化氢旋流室（3-3）的壳体的大头端的外侧壁上间隔开设有至少两个过氧化氢切向孔（3-4），各所述过氧化氢切向孔（3-4）均与所述过氧化氢腔（5）相连通；在所述过氧化氢旋流室（3-3）的壳体的小头端的端部、且贴于所述空腔一周环向一周开设有一环形过氧化氢喷注孔；
煤油旋流室（3-1），由一柱状壳体围成，在壳体前端的侧壁上间隔开设有多个煤油切向孔（3-2），在柱状壳体的后端连通有一柱状的煤油出口管（3-5），用于将煤油喷注入燃烧室内；所述煤油出口管（3-5）同轴套设在所述过氧化氢旋流室（3-3）的空腔中。
5.根据权利要求4所述的一种基于第三流体的过氧化氢/煤油火箭发动机推力室，其特征在于，所述液流均流板（1-2）和分解气整流栅（1-4）均为一圆形板体，其上均布开设有多个通孔，多个通孔环向间隔排布，径向间隔排布，形成多个同心圆结构；且所述分解气整流栅（1-4）上的通孔大于所述液流均流板（1-2）上的通孔。
6.根据权利要求5所述的一种基于第三流体的过氧化氢/煤油火箭发动机推力室，其特征在于，在所述燃烧室（6）的后端连接有喷管（8），所述喷管（8）为喇叭状；所述燃烧室（6）和喷管（8）为双层壳体结构，在壳体间布设有过氧化氢再生冷却通道（7），在所述喷管（8）的喇叭口壳体一周设置有环向的过氧化氢集液腔（10），与所述再生冷却通道（7）的入口相连通；在所述过氧化氢集液腔（10）的壳体上开设有过氧化氢入口（9），用于与外界管路连通；
所述燃烧室（6）内的过氧化氢再生冷却通道（7）的开口端与所述过氧化氢腔（5）相连通。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的一种基于第三流体的过氧化氢/煤油火箭发动机推力室的工作方法，其特征在于，该工作方法如下：
A.发动机启动过程：
首先，过氧化氢/煤油同轴双组元离心式喷嘴（3）启动，具体为：过氧化氢经再生冷却通道（7）泵入过氧化氢腔（5）内；然后由各过氧化氢切向孔（3-4）流入过氧化氢旋流室（3-3），并由过氧化氢喷注孔喷入所述燃烧室（6）内；同时，煤油由煤油入口（2）泵入煤油腔（4）内，由各煤油切向孔（3-2）注入煤油旋流室（3-1），并由煤油喷注孔喷入所述燃烧室（6）内；
然后，过氧化氢催化点火器（1）启动，具体为：由过氧化氢入口管接嘴（1-1）输送过氧化氢至柱状腔体（a）内，由液流均流板（1-2）上的通孔喷出，喷入催化床（1-3），过氧化氢分解为高温氧气和水蒸气，高温氧气和水蒸气流经分解气整流栅（1-4）上的通孔，流经导焰管（1-5），由其末端喷入所述燃烧室（6）内，与所述燃烧室（6）内的煤油混合自点火燃烧；然后所述燃烧室（6）内的煤油和过氧化氢混合燃烧；
点火后，所述过氧化氢催化点火器（1）停止工作；煤油和过氧化氢在所述燃烧室（6）内持续燃烧；
B.发动机停止工作过程：
减少过氧化氢进入燃烧室（6）内，同时停止煤油进入所述燃烧室（6）内，所述燃烧室（6）内逐渐熄火，且室压降低至环境压强，关闭过氧化氢的进入量，发动机停止工作；
C.发动机再次工作：重复A，再次完成发动机的启动。
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